Depuis l'époque d'Aristote, les gens ont fait l'observation contre-intuitive que l'eau chaude gèle parfois plus vite que l'eau froide. Dans les temps modernes, l'observation a été nommée l'effet Mpemba d'après Erasto Mpemba, un élève du primaire vivant dans ce qui est maintenant la Tanzanie au début des années 60. Lorsque vous faites de la crème glacée, Mpemba a observé que l'utilisation de lait plus chaud fait geler la crème glacée plus rapidement que lors de l'utilisation de lait plus froid.

Au cours des dernières décennies, l'effet Mpemba a été étudié et observé dans plusieurs systèmes physiques en plus de l'eau, y compris des résonateurs à nanotubes de carbone et des cages à eau semblables à de la glace appelées hydrates de clathrate. Malgré ces constatations, les causes de l'effet ne sont pas bien comprises. Les explications proposées incluent la présence d'impuretés, liaison hydrogène, et surfusion. Même la simple existence de l'effet Mpemba reste controversée, comme une étude récente a trouvé des preuves insuffisantes pour reproduire un effet significatif.

Maintenant, leur intérêt ravivé par un article récent proposant un mécanisme générique pour des effets similaires, les scientifiques Antonio Lasanta et des coauteurs d'universités espagnoles sont revenus sur la question dans une nouvelle étude publiée dans Lettres d'examen physique . Dans leur travail, les chercheurs démontrent théoriquement et étudient l'effet Mpemba dans les fluides granulaires, tels que ceux faits de sable ou d'autres petites particules.

En utilisant des simulations de systèmes granulaires et une approche de théorie cinétique simple, les chercheurs ont pu déterminer que les conditions initiales dans lesquelles le système est préparé jouent un rôle essentiel pour déterminer si le système présente ou non l'effet Mpemba. Leur analyse leur a également permis d'identifier les conditions initiales requises pour qu'un système granulaire présente l'effet Mpemba.

« Nos travaux montrent que l'existence de l'effet Mpemba est très sensible à la préparation initiale du fluide ou, en d'autres termes, à son histoire précédente, " co-auteur Andrés Santos à l'Université d'Estrémadure à Badajoz, Espagne, Raconté Phys.org . "Selon nous, cela peut expliquer le caractère insaisissable et la controverse de l'effet Mpemba dans l'eau, en raison du manque de contrôle sur la préparation initiale détaillée de l'échantillon."

Comme l'ont montré les chercheurs, si un système n'est pas préparé dans certaines conditions initiales, alors le système le plus froid se refroidit plus rapidement que le plus chaud, comme prévu, et il n'y a pas d'effet Mpemba.

"Nous avons théoriquement montré, au moins dans le cas d'un gaz, que l'évolution de la température d'un système et donc sa vitesse de refroidissement et/ou de chauffage ne dépendent pas de la seule température initiale, mais aussi sur l'historique du système qui contrôle la valeur initiale des variables supplémentaires, " dit Santos. " Par conséquent, il est parfaitement possible qu'un système initialement chauffé refroidisse plus rapidement qu'un système plus froid avec une histoire différente."

Comme les chercheurs l'ont expliqué plus loin, la simplicité de l'effet Mpemba dans les fluides granulaires par rapport à l'eau et à d'autres systèmes leur a permis d'arriver à cette conclusion.

"Nos résultats montrent que l'effet Mpemba est un phénomène générique de non-équilibre qui apparaît si l'évolution de la température dépend d'autres grandeurs physiques qui caractérisent l'état initial du système, " dit Santos. " En pratique, un tel état initial peut être atteint expérimentalement si le système est pris par une procédure physique très loin de l'équilibre (par exemple, par une impulsion de chauffage soudaine avant le refroidissement). Nos travaux théoriques et informatiques montrent que l'effet Mpemba est particulièrement simple dans un gaz granulaire, puisque, en pratique, il y a un seul paramètre supplémentaire contrôlant l'effet Mpemba. Ce paramètre est le kurtosis, qui mesure l'écart de la fonction de distribution de la vitesse par rapport à une distribution gaussienne."

Avec cette nouvelle compréhension, les chercheurs ont pu estimer une plage de températures initiales pour lesquelles l'effet apparaît et déterminer à quel point les valeurs initiales de ce paramètre doivent être différentes pour que l'effet Mpemba apparaisse.

Les résultats soutiennent également les prédictions de l'existence d'un effet Mpemba inverse :lorsqu'il est chauffé, un échantillon plus froid peut atteindre une température cible chaude plus tôt qu'un échantillon plus chaud. Les chercheurs prévoient d'étudier ce domaine et d'autres à l'avenir.

« Sur le plan théorique, nous prévoyons de réaliser une étude similaire dans le cas d'un soluté moléculaire (où les collisions sont totalement élastiques) en suspension dans un solvant qui produit une force de traînée non linéaire sur les particules de soluté, " dit Santos. " Pour en revenir aux fluides granulaires, nous voulons également analyser l'impact de la rugosité et du spin des particules sur l'effet Mpemba. Dans ce dernier système, le modèle le plus simple couplerait l'évolution de la température à celle du paramètre mesurant la non-équipartition de l'énergie entre les degrés de liberté en translation et en rotation.

« Côté expérimental, nous pensons que reproduire en laboratoire l'effet Mpemba dans un gaz granulaire serait une avancée. Nous travaillons actuellement à la conception d'une expérimentation ad hoc."

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